“记忆，到底存在于何处？”
“记忆，到底存在于何处？”
记忆是如何在大脑中存储的？这是一个困扰神经科学家多年的基本问题。近年来，随着光遗传学等先进技术的发展，研究者们开始关注一种被称为“记忆印迹细胞”（engram cells）的特殊神经元群体。这些细胞被认为在学习和记忆过程中扮演着关键角色。最近，来自加拿大多伦多大学等机构的研究团队在这一领域取得了重要突破，他们发现神经元的兴奋性水平与它们被招募为记忆印迹细胞的可能性之间存在密切联系。
这项研究于2024年5月1日发表在《神经元》（Neuron）杂志上，题为《兴奋性介导海马印迹前配置集群分配支持小鼠情境条件性威胁》（Excitability mediates allocation of pre-configured ensembles to a hippocampal engram supporting contextual conditioned threat in mice）。
研究团队巧妙地利用钙成像和光遗传学等技术，揭示了在海马体的CA1脑区，事件发生前3小时内更兴奋的神经元更容易被招募为恐惧记忆的印迹细胞。同时，研究还发现，在恐惧记忆形成前更加兴奋的细胞群体也倾向于被分配为印迹细胞集群，并且在记忆形成时，这些细胞之间的功能连接会显著增强。
实验设计与发现
研究团队首先使用条件恐惧记忆范式，在训练前兴奋一群NpACY阳性神经元，并在回忆阶段光遗传抑制它们，发现小鼠的冻结行为减少，表明恐惧记忆回忆减少。这提示在生理状态下，自发高兴奋性的细胞更倾向于被招募为印迹细胞。
为了验证这一假设，研究者采用了scFLARE技术，这是一种由斯坦福大学Alice Ting实验室开发的技术，可以标记兴奋性高且受到光照的细胞，并表达相关的基因（此处为NpHR3.0，一种红光导致抑制的光遗传元件）。实验结果发现，抑制训练前3小时更兴奋的神经元群体，小鼠的冻结行为同样减少，进一步证实了高兴奋性细胞更倾向于成为印迹细胞。
接下来，研究者利用TRAP2策略标记印迹细胞，并通过双光子成像记录其在训练前五天的细胞放电情况。结果显示，这群细胞在训练当天的兴奋性远高于非印迹细胞，且印迹细胞之间的功能连接性显著高于非印迹细胞，说明训练当天最兴奋的细胞集群会被分配为印迹细胞。
细胞集群的功能连接
研究团队进一步分析了细胞集群的功能连接。他们发现，训练过程中兴奋性更高的神经元集群在测试期间放电更高，对电击的响应更强，且具有更高的空间编码能力。这些集群在训练过程中的放电模式与测试过程更为相似，集群中细胞放电的相关性也更高。
最终，研究者提出了一个模型：海马CA1中的神经元兴奋性处于波动之中，在训练前短时间内兴奋性更高的神经元在训练过程中更倾向于编码恐惧记忆，同时这些神经元之间的功能连接增强，最终形成印迹细胞集群。
研究意义与局限
这项研究揭示了神经元兴奋性影响其被分配为印迹细胞的机制，为理解记忆存储提供了新的视角。然而，研究也存在一些局限性。例如，记录到的非印迹细胞数量约为印迹细胞的几倍，可能会影响统计结果的准确性。此外，使用钙信号的皮尔森相关系数来计算细胞间功能连接，可能不如膜片钳等电生理手段精确。
这项研究不仅深化了我们对记忆存储机制的理解，也为未来开发治疗记忆相关疾病的新方法提供了潜在的靶点。
本文原文来自澎湃新闻
参考文献
1 Tonegawa, S., Liu, X., Ramirez, S. & Redondo, R. Memory Engram Cells Have Come of Age. Neuron 87, 918-931, doi:10.1016/j.neuron.2015.08.002 (2015).
2 Tonegawa, S., Morrissey, M. D. & Kitamura, T. The role of engram cells in the systems consolidation of memory. Nat Rev Neurosci 19, 485-498, doi:10.1038/s41583-018-0031-2 (2018).
3 Liu, X. et al. Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall. Nature 484, 381-385, doi:10.1038/nature11028 (2012).
4 Han, J. H. et al. Selective erasure of a fear memory. Science 323, 1492-1496, doi:10.1126/science.1164139 (2009).
5 Sanchez, M. I., Nguyen, Q. A., Wang, W., Soltesz, I. & Ting, A. Y. Transcriptional readout of neuronal activity via an engineered Ca(2+)-activated protease. Proc Natl Acad Sci U S A 117, 33186-33196, doi:10.1073/pnas.2006521117 (2020).
6 Wang, W. et al. A light- and calcium-gated transcription factor for imaging and manipulating activated neurons. Nat Biotechnol 35, 864-871, doi:10.1038/nbt.3909 (2017).